混合卤化物钙钛矿光致相分离的机理研究

The photoelectrical properties of halide lead perovskites is a rapidly developing research field to date. Mixed halide lead perovskites (MHLP) have emerged as one of the most promising candidates for the top absorber in tandem solar cells because of their higher band gap. However, these materials do not yield a corresponding increase in efficiency of solar cells due to halide phase segregation after illumination. This proposal outlines the research programs which will study the optical properties of MHLPs before and after illumination and track the generation process of light-induced phase segregation effect. Various optical spectroscopies will be used, including absorption, photoluminescence, as well as time-resolved spectroscopy with large time resolution scaling from 100 femtosecond to the tens of milliseconds. From the optical measurement, mechanism and physical model of this novel effect will be revealed and established. At the same time, combined with structural characterization and device tests, light-induced phase segregation effect under various morphologies and compositions will be investigated. This proposal will provide new insight to improve light stability of MHLPs; and on this basis stable solar cells under solar illumination will be developed. These findings will supply the ideas to boost the optoelectronic application of MHLPs.

卤化物钙钛矿材料的光电性质是当前国际上的研究热点领域之一。混合卤化物钙钛矿材料由于较高的带隙可作为叠层太阳能电池的顶部吸收层，然而这种材料在光照下出现的卤素相分离效应却导致太阳能电池效率的降低。本项目提出对产生这种光致相分离效应的机理开展研究，期望通过混合卤化物钙钛矿的吸收光谱、发光光谱和从100飞秒到10毫秒大时间尺度的时间分辨光谱等内容的测量和分析，研究光照前后材料的光学特性所发生的变化，追踪光致相分离效应的产生过程，揭示这种奇特效应的物理机理并建立物理模型。同时，通过改变材料的表面形貌、组分等相关因素，结合物性表征与器件测试，探究光致相分离效应发生的规律，为提高混合卤化物钙钛矿材料的光稳定性提供新思路与新方法。并在此基础之上，制备出太阳光下稳定的混合卤化物钙钛矿太阳能电池。本项目的研究成果将为混合卤化物钙钛矿材料在光电领域的应用方向提供坚实的物理基础。

混合卤化物钙钛矿材料具有带隙可调的优越特性，是制备串联太阳能电池顶部吸收层的理想材料。然而，这种材料在光照下呈现出可逆卤素分离的现象，严重制约了它的应用前景。本项目中主要利用光学测量手段，对钙钛矿薄膜和器件展开了研究。研究内容包括：1）研究了代表性钙钛矿材料的光学性质，并探究了温度、光强以及环境气氛等外界因素对光致相分离效应的影响；2）研究了钙钛矿材料的光激发态的演化过程，追踪光照前后材料光学特性发生的变化；3）研究了钙钛矿薄膜的组分、添加剂以及制备方式对光致相分离的影响；4）有机半导体材料的光谱研究。取得的主要成果如下：1）利用汉勒效应研究了钙钛矿薄膜中的自旋弛豫，估算出77 K下的自旋寿命大约为240 ps；2）发现缺陷态显著影响了钙钛矿薄膜的光学性质和卤素分离；3）光致相分离效应主要发生在晶界，并受电子-声子耦合产生的局域应变效应的影响；4）光稳定性和光强、波长以及温度密切相关，提高样品温度能够加快反向恢复的过程；5）过量的MAI能够填充晶界，改变原本均匀薄膜中的局域相分离；6）在二维钙钛矿材料中加入硫脲作为添加剂，能够显著改善器件的性能；7）对有机光电材料也进行了积极探索，加深对光电半导体光学性质的理解。已发表8篇SCI论文，其中一区2篇，二区4篇；申请了3项发明专利；培养硕士研究生2名。